环氧树脂|耐温环氧树脂|多官能环氧树脂

近年来，热固性树脂基复合材料因其***的特定力学性能，已成为多个领域的推荐材料。其中，热固性环氧树脂因其独特的优势——包括强大的粘附能力、优异的电气绝缘性能、极低的固化收缩率以及***的尺寸稳定性、在**制造业如航空航天与轨道交通等领域中占据了举足轻重的地位，并得到了***的推广与应用。然而，固化后这些树脂形成了一个含有醚键和苯环的高交联密度的三维网络结构，这使其展现出较高的脆性、较低的冲击强度以及较差的耐热性，从而限制了其进一步的应用前景。因此，制备性能良好的环氧树脂复合材料引起了学术界的***关注。良好的界面粘接可确保从基体到纤维的有效载荷传递，这有助于降低应力集中并改善整体机械性能。由于靠近纤维表面的基体中相同区域的性质与基体的性质不同，因此增强复合材料的结构完整性，可以让基体与纤维之间的应力传递更好。

一 、研究现状

目前，CFRP复合材料的整体力学性能通常通过三种方法得到增强：基体改性、CF表面处理和结构设计。树脂基体改性的重点是通过将弹性体（橡胶）、热塑性树脂或刚性颗粒等高韧性物质作为二相掺入树脂体系中，并通过在环氧树脂中引人“柔性分子链段”来增韧环氧树脂，从而增强环氧树脂的韧性。CF表面处理方法包括空气氧化、化学接枝、物理沉积、辐照、液相氧化、表面涂层和多尺度改性。结构设计包括有交错结构设计和夹层结构设计。

二、环氧树脂基体改性

1.热塑性树脂在CFRP中加热塑性(TP)是提高韧性和抗冲击性的常用方法,它可以提高环氧树脂的断裂韧性,而不会降低热性能或弹性模量。热塑性树脂与环氧树脂相分离形成的双相结构是环氧基复合材料中热塑性树脂交错的主要增韧机理。如聚醚醚酮(PEEK)聚碳酸酯(PC)通过熔融共混或溶液共混法与环氧树脂混合,可以改善材料的韧性。赫玉欣等研究了聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚碳酸酯（PC）和聚醚酰亚胺（PEI）三种热塑性塑料在环氧树脂（EP）中的应用。通过将这三种塑料溶解于EP中并加固化剂进行固化，研究了它们对EP基体在低温下冲击性能及热膨胀系数的影响。研究发现，这三种热塑性塑料的分子链中的羰基在 EP 固化过程中能够与环氧分子侧链的羟基形成氢键，从而增强了塑料与 EP 之间的界面结合力。同时，相较于纯EP，使用 PBT、PEI 和 PC 改性的 EP 在玻璃化转变温度下的热膨胀系数（CTE）分别降低了14.9%、17.4%和 23.9%；在77K时，改性的EP 复合材料的冲击强度则分别提高了30.6%、45.8%和 34.1%。

2.橡胶弹性体改性环氧树脂用橡胶增韧EP是非均相增韧体系中的传统方法之一。液态橡胶的添加抑制了热塑性材料的裂纹扩展，一般来说，橡胶增韧EP可分为反应性液体橡胶和橡胶颗粒，已经开发了许多方法来增韧环氧树脂,其中掺入液体橡胶,如丁二烯丙烯腈共聚物,羟基封端聚丁二烯(HIPB)和天然橡胶, 似乎是**成功的方法。众所周知,两种具有相似溶解度参数的材料应该相互兼容。官能团化可以增加官能化橡胶的内聚能,从而增加溶解度参数, 从而增加环树脂与橡胶之间的相容性。Zhao 等以羧基封端丁二烯丙烯腈 (CTBN)为增韧剂,制备了一种高韧性环氧树脂,对 AC-80 环氧树脂进行了改性。系统研究了复合材料基体力学性能、CFs 表面性能、拉伸性能和断裂形貌等因素,阐明了影响高性能 CF/EP 复合材料界面粘接的关键因素。结果表明,当环氧树脂中 CTBN 含量为 6.90w1.%时,韧性提高**为***。由于 T800SC 具有高含量的极性官能团和优异的表面润湿性,T800SC/EP 复合材料与T800HB/EP 复合材料相比表现出优异的机械性能。Xu 等制备了一种原位预交联的 CTBN/环氧树脂共混物，与传统的,具有更好的机性能。在预交联的 CIBN/环氧树脂共混物中形成了局部互穿结构,**提高了两相之间的相容性和界面粘附性,从而使共混物具有良好的力学性能。然而,所使用的橡胶丙烯含量高(25%),因此可与环氧树脂混溶。

3.纳米材料改性环氧树脂为探讨纳米材料增强树脂的机制，Ruban 等人通过引入功能化的胶状纳米二氧化硅对环氧树脂进行了改性处理，旨在增强其抗冲击性能。他们的研究揭示了一个有趣的现象：随着环氧树脂中胺改性纳米粒子含量的逐步提升，其力学性能起初呈现出增强的趋势，但达到某一临界点后，继续增加纳米粒子的含量反而会导致力学性能的下降。另一方面，Tian 等分析了应变速率对高交联环氧树脂力学性能的影响。在四缩水甘油基-4,4'-二氨基二苯甲烷（TGDDM）和双酚 A 型环氧树脂（DGEBA）的混合树脂中加入10%纳米氧化硅后，发现随着应变速率的增加，材料的压缩模量和断裂韧性有所提升，同时伴随着断裂应变和极限强度的轻微降低。这主要因为纳米颗粒的均匀分布有效减少了材料内部的局部应力集中的现象。科学家还发现，在较低的应变速率条件下，这种纳米增***果更为***，而在较高的应变速率下则有所减弱，这进一步揭示了纳米二氧化硅与聚合物基体间相互作用强度对应变速率的敏感性，即在高速形变下，两者间的相互作用力减弱，导致增***应不如低速时明显。

三、碳纤维表面改性

碳纤维/环氧树脂复合材料的效能，不仅根植于纤维与树脂各自的本征特性，更紧密关联于它们之间的结合牢固度与相容性。碳纤维以其**度与高模量著称，却也因脆性特质及光滑表面与树脂基体的结合显得薄弱，易在受力时发生脱黏，从而削弱了整体的断裂韧性。为了弥补这一不足，研究者们致力于碳纤维的表面改性，旨在通过化学接枝技术，将活性官能团巧妙地“嫁接”到纤维表面 ，以此促进与树脂的化学反应，形成更为紧密的结合；或者采用氧化处理，对纤维表面进行精细的“雕琢”，增加其表面积，使纤维与树脂之间能够形成更为稳固的机械锁合，从而***提升复合材料的整体性能。

四、复合材料结构设计

除了对树脂和纤维表面的改性外，复合材料的结构设计对其综合力学性能也具有重要影响。碳纤维是复合材料的**承载元件，其性能直接影响着复合材料的强度、刚度以及断裂韧性。为了有效提升这些力学性能，对复合材料进行精细的结构设计显得尤为重要。特别地，在层压复合材料的制造过程中，铺层设计的优化成为了提升材料力学性能的一项关键策略。Navarro等人的研究探讨了不同铺层方式对碳纤维增强复合材料断裂韧性的影响，观察到不同断口形态。图 2(a)中的 CgICo（0°铺层）断面显示出纤维与树脂界面层的脱黏，而 C45IC45（45°铺层）断面则较为粗糙，主要集中于基体表面的破坏（见图 2(b)。研究表明，与 Co//Co 结构相比，C45//C45 在I型断裂韧性（G¡c）和Ⅱ型断裂韧性（GπC）上都有所提升。此外，Partridge 等采用 2-pins 技术进行了增韧设计，发现 Z-pins的植入能够***提升层合板的工型和亚型断裂韧性。随着2-pins 密度增加，G¡c 和 Gūc 也随之提高。

五、结论与展望

碳纤维/环氢树脂基复合材料的增韧改性研究已取得***进展,通过环氧树脂改性、碳纤维表面改性和结构设计等方法,有效提高了材料的韧性，然而,面对不断提升的高性能和多功能化需求,复合材料的研究和应用仍面临诸多挑战,需要进一步探索新型纳米材料的作用机制,开发更高效和环保的界面改性技术,创新结构设计理念,以实现材料在极端条件下的可靠性能。因此,持续的创新和多学科协作将是推动该领域发展的关键。通过材料科学、化学工程和机械设计等领域的交叉研究,可以实现碳纤维/环氧树脂基复合材料性能的***提升,满足航空航天、汽车制造、建筑工程等领城日益严格的应用要求。同时,随着环保和可持续发展的重视,研究更绿色和可再生的增韧改性方法也将成为未来的重要方问这些努力将共同推动碳纤维/环氧树脂基复合材料的持续进步和***应用。

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